周克釗1，王志宏1，李彥春1，陳為莊1，鄧宇2
(1.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究院，四川成都610081；2.成都漢宇制藥設(shè)備廠，四川成都610081)

　　中圖分類號(hào)：TU991.2 
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：D 
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)05-0074-03

　　飲用水的安全性已經(jīng)越來(lái)越令人擔(dān)憂，解決這一敏感問(wèn)題的根本措施在于水源污染控制和水廠深度處理，但皆難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。小區(qū)分質(zhì)供水是目前最經(jīng)濟(jì)、最可靠、最方便的方法，同時(shí)也是節(jié)水的有效措施。

1　工作原理

　　電解催化凈水設(shè)備根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)和催化反應(yīng)原理，并輔以過(guò)濾對(duì)飲用水作深度處理，其流程見(jiàn)圖1。

　　該設(shè)備一般包括電解槽、消毒器、催化器和后過(guò)濾器。電解槽由隔膜分為陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，電解槽兩端的兩個(gè)電極板分別連接著直流電源的兩極。進(jìn)水依次流過(guò)電解槽陽(yáng)極區(qū)、消毒器、催化器、電解槽陰極區(qū)和后過(guò)濾器，并可根據(jù)需要在適當(dāng)位置設(shè)置提升泵和流量計(jì)。進(jìn)水一般采用自來(lái)水，若采用未經(jīng)處理的原水，則須增加預(yù)過(guò)濾以去除進(jìn)水中的懸浮雜質(zhì)。
　　在陽(yáng)極區(qū)，利用陽(yáng)極和電解產(chǎn)生陽(yáng)離子的氧化作用和陽(yáng)極貴金屬的催化作用迅速直接氧化破壞細(xì)菌和病毒的組成物質(zhì)而殺死之，并氧化分解有機(jī)雜質(zhì)和無(wú)機(jī)還原性雜質(zhì)(包括酚、甲醛、有機(jī)磷、有機(jī)金屬化合物、硫化物等)，同時(shí)產(chǎn)生活性氯等氧化劑。陽(yáng)極區(qū)的酸性環(huán)境還可去除堿性雜質(zhì)，電場(chǎng)作用可脫穩(wěn)并凝聚膠體雜質(zhì)。
　　在消毒器中，保持足夠的消毒時(shí)間，活性氯等氧化劑繼續(xù)消毒和氧化分解有機(jī)雜質(zhì)。
在催化器中，利用碳錳催化劑迅速分解活性氯等氧化劑，產(chǎn)生氧化能力較強(qiáng)的自由基，繼續(xù)強(qiáng)化消毒和深度氧化分解有機(jī)雜質(zhì)。
　　在陰極區(qū)中，利用陰極和電解產(chǎn)生陰離子的還原作用，進(jìn)一步去除消毒過(guò)程中可能產(chǎn)生的氧化性雜質(zhì)，防止有機(jī)鹵代物的產(chǎn)生，改善飲用水的生物學(xué)指標(biāo)，并去除重金屬離子。陰極區(qū)的堿性環(huán)境還可去除酸性雜質(zhì)，水解去除有機(jī)雜質(zhì)(包括氨基化合物和腈類等)、重金屬和多余的硬度，電場(chǎng)作用可繼續(xù)脫穩(wěn)并凝聚膠體雜質(zhì)。
　　最后通過(guò)后過(guò)濾器去除水中濁度，包括處理過(guò)程中產(chǎn)生的懸浮物。
　　電解催化凈水設(shè)備的技術(shù)關(guān)鍵在于隔膜式電解槽和碳錳催化劑。顯然，如果電解槽的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)發(fā)生摻混，則兩區(qū)的功能會(huì)互相抵消。電解催化凈水設(shè)備利用隔膜分區(qū)，發(fā)揮了兩區(qū)的不同功能，保證了處理效果。該設(shè)備獨(dú)特的陰極區(qū)處理，還原去除活性氧，防止有機(jī)鹵代物的產(chǎn)生，改善飲用水的生物學(xué)指標(biāo)。其所采用的高效催化劑，則大大增強(qiáng)了消毒和氧化分解有機(jī)雜質(zhì)的能力。
　　由于以上技術(shù)特點(diǎn)，即使進(jìn)水的細(xì)菌總數(shù)和大腸菌數(shù)超標(biāo)100倍，出水依然達(dá)標(biāo)；即使進(jìn)水含酚超標(biāo)100倍，出水依然達(dá)標(biāo)。
　　電解催化凈水設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、維護(hù)量少、電耗較小，因此其成本得到了大幅度降低。

2　去除亞硝酸鹽效果

　　于2000年1月—3月在成都龍泉進(jìn)行了電解催化凈水設(shè)備去除亞硝酸鹽試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)摘要于表1。

　　 試驗(yàn)流量皆為160 L/h，數(shù)據(jù)按電流從小到大排列。由表1可以清楚地看出，處理效果隨電流的增加而改善，若電流不足，即使氯離子增加，也仍然不能滿足嚴(yán)格的出水亞硝酸鹽要求。由此可見(jiàn)，氯離子本身并不是處理效果的控制因素，一定流量下的電流才是根本的控制因素。達(dá)到7 A以上電流是處理效果的關(guān)鍵，其出水可以滿足處理的嚴(yán)格要求，否則，即使達(dá)到6.9 A，且原水濃度降低幾乎一半，也不能滿足處理的嚴(yán)格要求。
　　由表1可見(jiàn)，電解催化凈水設(shè)備具有極優(yōu)的去除亞硝酸鹽的能力，在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)下能夠使出水亞硝酸鹽氮濃度＜0.8 μg/L，相當(dāng)于亞硝酸根濃度＜2 μg/L，這已經(jīng)達(dá)到反滲透處理的純凈水的標(biāo)準(zhǔn)。
　　適宜的運(yùn)行參數(shù)為：
　　①原水亞硝酸鹽氮濃度上限為0.6 mg/L左右；
　?、?60 L/h的流量、電流為7 A以上，耗電量約為4.4(kW·h)/m³。
　　電解催化凈水設(shè)備去除亞硝酸鹽的機(jī)理，可能是亞硝酸根在電解槽的陽(yáng)極區(qū)、消毒槽和催化器中被陽(yáng)極、有效氯或自由基氧化為硝酸根。至于硝酸根在陰極區(qū)是否被還原為氮?dú)?，有待進(jìn)一步考察，但出水水質(zhì)證明硝酸根肯定未被重新還原成為亞硝酸根。

3　電流、電壓和電阻

　　試驗(yàn)運(yùn)行于2000年1月—12月，在成都龍泉、青羊?qū)m和洞子口進(jìn)行。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原水礦化度對(duì)設(shè)備電流的影響很大，原水為地下水的洞子口的電流最大，而原水為由地面水制成自來(lái)水的龍泉和青羊?qū)m的電流較??；試驗(yàn)中三處的電壓接近，這是因?yàn)樵O(shè)備電壓一直開(kāi)在最大，并未有意調(diào)節(jié)電壓；原水礦化度對(duì)設(shè)備電阻的影響同樣很大，地下水的洞子口的電阻最小，自來(lái)水的龍泉和青羊?qū)m的電阻較大。同一原水的電阻波動(dòng)是由于陰極和膜結(jié)垢引起的，垢越厚則電阻越大，清洗后則電阻減小。另外，剛開(kāi)機(jī)時(shí)電阻也會(huì)大一些。
由于龍泉自來(lái)水、青羊?qū)m自來(lái)水和洞子口地下水的電流分別為5、3和10 A，流量皆為160 L/h，電壓皆為70 V，所以電解槽功率分別為350、210和700 W，再加上提升泵的功率200 W，則設(shè)備總功率分別為550、410和900 W，耗電量則分別為4.4、3.3和7.1 (kW·h)/m³。值得注意的是，設(shè)備的耗電量還應(yīng)有較大的壓縮空間。另外，通過(guò)壓縮電解槽的極板距離，可以在同樣電流下降低設(shè)備的電壓，從而進(jìn)一步壓縮耗電量。

4　處理效果

　　試驗(yàn)詳細(xì)考察了設(shè)備進(jìn)、出水的氧化還原電位、pH值、高錳酸鉀指數(shù)、硬度和碳酸氫根的變化情況(見(jiàn)表2)。

　　 原水經(jīng)過(guò)電解催化凈水設(shè)備處理，氧化還原電位有所降低，其原因應(yīng)該是原水中的氧化劑(如余氯等)在設(shè)備的催化器和電解槽的陰極區(qū)內(nèi)分別被催化分解和還原去除，而且原水中的溶解氧被陰極區(qū)中的大量微細(xì)氫氣泡帶走。由于出水的氧化還原電位并不是很低，所以出水中應(yīng)該沒(méi)有還原劑。
　　電解催化凈水設(shè)備能夠降低原水的氧化還原電位這一事實(shí)，證實(shí)了該設(shè)備可以去除水中的氧化劑，包括致癌的活性氧或自由基，從而提高了飲用水的生物學(xué)性能。
　　設(shè)備出水的pH值有所提高，但仍在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—85)的范圍以內(nèi)，這不僅有利于健康，而且有助于去除原水中的重金屬和部分硬度。
　　試驗(yàn)期間，設(shè)備進(jìn)、出水的高錳酸鉀指數(shù)大部分在1 mg/L以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—85)的限制，用標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)方法已經(jīng)無(wú)法準(zhǔn)確檢出。出水的高錳酸鉀指數(shù)略有升高，原因也許是去除了原水中的氧化劑，如余氯等。
　　設(shè)備出水的硬度和碳酸氫根皆有所降低，這是由于出水的pH值提高所引起的。
　　電解催化凈水設(shè)備可以去除多余的鈣，但去除量并不大，不至于影響飲用水的有益礦物質(zhì)的含量。根據(jù)青羊?qū)m試驗(yàn)的兩次測(cè)定進(jìn)、出水中鈣離子的數(shù)據(jù)，進(jìn)水鈣離子分別為35和36 mg/L，出水鈣離子分別為35和31 mg/L，最大的去除率僅為11%。
　　2000年11月，將電解催化凈水設(shè)備的進(jìn)、出水委托華西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院進(jìn)行了Ames試驗(yàn)，出水未檢出致突變性。
　　由表2可以看出，陽(yáng)極出水的氧化還原電位與進(jìn)水相比，有非常顯著的提高，這是陽(yáng)極區(qū)強(qiáng)烈氧化的結(jié)果。經(jīng)過(guò)催化以后，氧化還原電位有顯著的下降，但仍顯著高于進(jìn)水，這是由于催化劑分解了陽(yáng)極出水中的大部分氧化劑。經(jīng)過(guò)陰極處理以后，氧化還原電位又有顯著下降，已經(jīng)低于進(jìn)水，這是陰極還原的效果。
　　由表2還可以看出，陽(yáng)極出水的pH值較進(jìn)水有所下降，這是由于陽(yáng)極上有氧氣逸出，使得陽(yáng)極區(qū)水中氫離子濃度增加引起的。經(jīng)過(guò)催化以后，pH值繼續(xù)下降，這應(yīng)該是催化分解氧化劑引起的。經(jīng)過(guò)陰極處理以后，pH值有很大提高，顯著高于進(jìn)水，這是由于陰極有氫氣泡逸出，使陰極區(qū)水中氫離子濃度降低所致。
　　高錳酸鉀指數(shù)在流程中變化不大，皆低于0.5 mg/L，此時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)方法已不可能測(cè)出，這里是采用分光光度法測(cè)定的。 
　　硬度和碳酸氫根在流程中變化皆不大，出水略低于進(jìn)水，這應(yīng)該是pH值提高引起的。

5　結(jié)論

　　小區(qū)規(guī)模的電解催化飲用水凈化成套設(shè)備的出水滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—85)的要求；出水亞硝酸鹽氮濃度＜0.8 μg/L，已經(jīng)達(dá)到反滲透處理的純凈水標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的去除亞硝酸鹽的能力；出水氧化還原電位有所降低，證實(shí)了其去除水中氧化劑(包括活性氧或自由基)的能力，從而提高了飲用水的生物學(xué)性能；出水pH值有所提高，不僅有利于健康，而且有助于去除原水中的重金屬和部分硬度；進(jìn)、出水高錳酸鉀指數(shù)皆很小，且變化不大，未能證實(shí)其去除有機(jī)物的能力；出水的堿度、硬度和碳酸氫根皆有所降低，但鈣的最大去除率僅為11%，不至于影響飲用水的有益礦物質(zhì)的含量；出水Ames試驗(yàn)未檢出致突變性。因此，電解催化凈水設(shè)備初步達(dá)到了一定的處理效果。
　　運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)不少問(wèn)題，有待改進(jìn)。設(shè)備流程中水質(zhì)的變化情況有待進(jìn)一步長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并加強(qiáng)對(duì)直接影響水質(zhì)的水中微量有機(jī)物質(zhì)的化驗(yàn)分析。
　　電解催化凈水設(shè)備是一種采用物理和化學(xué)方法處理飲用水的新技術(shù)、新設(shè)備，有著獨(dú)特的凈水機(jī)理和效果，值得進(jìn)一步深入研究，并需在長(zhǎng)期生產(chǎn)運(yùn)行中不斷改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：
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電　話：(028)3311862
收稿日期：2001-03-21